DE102022106063A1 - Method for monitoring the operation of a pump, preferably a centrifugal pump - Google Patents

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Michael Schneider
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Betriebs einer Pumpe, vorzugsweise einer Kreiselpumpe (1), mit einem mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen Antriebsmotor, mit den Verfahrensschritten:- Feststellen, ob die Pumpe in einem stabilen Betriebszustand arbeitet,- Bei Vorliegen eines stabilen Betriebszustands, Überwachung wenigstens einer charakteristischen Größe des Antriebsmotors, um festzustellen, ob eine Laufradblockade vorliegt,- bei Erkennung einer Laufradblockade aktivieren eines Freilaufs des Pumpenlaufrades,- andernfalls Auswertung des Frequenzspektrums des Motorstroms zur Erkennung einer Beeinträchtigung der Pumpe und Abschalten des Motors durch Abfahren einer abnehmenden Drehzahlrampe, falls eine Beeinträchtigung der Pumpe erkannt wird.The invention relates to a method for monitoring the operation of a pump, preferably a centrifugal pump (1), with a multi-phase, in particular three-phase drive motor, with the method steps: - Determining whether the pump is working in a stable operating state, - If a stable operating state is present, Monitoring at least one characteristic variable of the drive motor to determine whether an impeller blockage is present, - if an impeller blockage is detected, activate a freewheel of the pump impeller, - otherwise, evaluate the frequency spectrum of the motor current to detect an impairment of the pump and switch off the motor by running down a decreasing speed ramp, if an impairment of the pump is detected.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Betriebs einer Pumpe, vorzugsweise einer Kreiselpumpe, mit einem mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen Antriebsmotor.The invention relates to a method for monitoring the operation of a pump, preferably a centrifugal pump, with a multi-phase, in particular three-phase, drive motor.

Abwasserpumpen, auch als Schmutzwasserpumpen bezeichnet, ermöglichen die Förderung von grob verschmutztem Wasser, welches oft feste Bestandteile unterschiedlicher organischer, anorganischer oder mineralischer Herkunft mitführt. Abwasserpumpen werden vorzugsweise einstufig gebaut und sind im Allgemeinen nicht selbstansaugend. Die Verwendung der Laufradformen ist abhängig von der Förderflüssigkeit. Als Laufrad werden oftmals Kanalräder eingesetzt, insbesondere in Form eines Ein-, Zwei- oder Dreikanalrades, jeweils geschlossen oder offen. Es gibt jedoch auch Bauarten mit offenem Einkanal- und Diagonalrad sowie Freistromrad.Sewage pumps, also known as dirty water pumps, enable the pumping of grossly contaminated water, which often contains solid components of various organic, inorganic or mineral origins. Sewage pumps are preferably built in one stage and are generally not self-priming. The use of the impeller shapes depends on the fluid being pumped. Channel wheels are often used as impellers, especially in the form of a one-, two- or three-channel wheel, each closed or open. However, there are also designs with open single-channel and diagonal impellers as well as free-flow impellers.

Durch die im Fluid mitgeführten Feststoffe können Ablagerungen an der Laufradstruktur anhaften, die zu einer Beeinträchtigung der Pumpenfunktion und einer damit einhergehenden Beeinträchtigung des Pumpenwirkungsgrades führen. Im Worst-Case kommt es zu einer vollständigen Blockade des Laufrades, so dass eine weitere Drehbewegung nicht mehr möglich ist. Wird in einem solchen Fall der Antrieb nicht abgeschaltet, kann es zu einer mechanischen Beschädigung der Pumpenhydraulik oder einer Überlastung des elektrischen Antriebsmotors kommen. Vor diesem Hintergrund ist es wichtig, dass die oftmals über einen langen Zeitraum autark betriebenen Pumpen laufend überwacht werden und im Ernstfall automatisch deaktiviert werden.The solids carried in the fluid can cause deposits to adhere to the impeller structure, which can lead to an impairment of the pump function and an associated impairment of the pump efficiency. In the worst case scenario, the impeller is completely blocked, meaning that further rotation is no longer possible. If the drive is not switched off in such a case, mechanical damage to the pump hydraulics or an overload of the electric drive motor may occur. Against this background, it is important that the pumps, which often operate independently over a long period of time, are continuously monitored and are automatically deactivated in the event of an emergency.

Da jedoch die Notabschaltung einen erheblichen Eingriff in den Pumpenbetrieb bedeutet, ist es wünschenswert zwischen akuten und weniger akuten Fehlerfällen differenzieren zu können und jeweils geeignete, individuelle Gegenmaßnahmen ergreifen zu können. Gerade bei Laufradverschmutzungen kann die Pumpe zwar weiterarbeiten, der erzielbare Wirkungsgrad ist jedoch beeinträchtigt, was die Energiebilanz verschlechtert.However, since the emergency shutdown means a significant intervention in the pump operation, it is desirable to be able to differentiate between acute and less acute fault cases and to be able to take suitable, individual countermeasures in each case. Especially when the impeller is dirty, the pump can continue to work, but the efficiency that can be achieved is impaired, which worsens the energy balance.

Es wird daher nach Maßnahmen gesucht, um während des Pumpenbetriebs Fehlerfälle differenziert erkennen und fehlerabhängige Gegenmaßnahmen einleiten zu können.Measures are therefore being sought to be able to differentiate between error cases during pump operation and initiate error-dependent countermeasures.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Darüber hinaus wird die Aufgabe auch durch eine Pumpe, insbesondere Kreiselpumpe, mit einer Pumpensteuerung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 14 bzw. durch eine Pumpensteuerung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.This task is solved by a method according to the features of claim 1. Advantageous embodiments of the method are the subject of the dependent claims. In addition, the task is also achieved by a pump, in particular a centrifugal pump, with a pump control according to the features of claim 14 or by a pump control with the features of claim 15.

Erfindungsgemäß wird zunächst vorgeschlagen, für die Erkennung einer Fehlfunktion zunächst einen stabilen Pumpenbetriebszustand abzuwarten. Ein stabiler Betriebszustand kann bspw. dann vorliegen, wenn die Pumpe für eine bestimmte Dauer in einem konstanten Betriebspunkt arbeitet. Mit anderen Worten soll die Überwachung auf eine Pumpenfehlfunktion nicht bereits während der Inbetriebnahme aktiv sein, sondern erst dann ausgeführt werden, wenn der gewünschte Betriebspunkt erreicht ist. Erkennt die Pumpe einen stabilen Betriebszustand, wird die Überwachung wenigstens einer charakteristischen Größe des Antriebsmotors gestartet, um basierend auf der Überwachung dieser charakteristischen Größe feststellen zu können, ob eine Laufradblockade vorliegt. Bei Vorliegen einer Laufradblockade dreht das Pumpenlaufrad entweder nicht mehr oder zumindest so schwerfällig, dass eine Pumpenarbeit nicht mehr sinnvoll verrichtet werden kann.According to the invention, it is initially proposed to first wait for a stable pump operating state to detect a malfunction. A stable operating state can exist, for example, when the pump works at a constant operating point for a certain period of time. In other words, monitoring for a pump malfunction should not be active during commissioning, but should only be carried out when the desired operating point is reached. If the pump detects a stable operating state, monitoring of at least one characteristic variable of the drive motor is started in order to be able to determine, based on the monitoring of this characteristic variable, whether there is an impeller blockage. If there is an impeller blockage, the pump impeller either no longer rotates or at least turns so sluggishly that pump work can no longer be carried out sensibly.

Wird eine Laufradblockade erkannt, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Pumpe in einen Freilauf zu schalten, in dem das Pumpenlaufrad frei drehen kann. Idealerweise kann dies durch mechanisch Entkopplung der Pumpenwelle vom Antriebsmotor erfolgen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Motor im Freilauf stromlos geschaltet wird und an der Pumpenwelle lediglich das Bremsmoment des Motors anliegt.If an impeller blockage is detected, it is proposed according to the invention to switch the pump to a freewheel in which the pump impeller can rotate freely. Ideally, this can be done by mechanically decoupling the pump shaft from the drive motor. However, it can also be provided that the motor is de-energized during freewheeling and only the braking torque of the motor is applied to the pump shaft.

Liegt eine Laufradblockade nicht vor bzw. wird eine solche nicht erkannt, so führt das Verfahren stattdessen eine Auswertung des Frequenzspektrums des Motorstroms durch, insbesondere wenigstens einer Phase des Statorstroms. Durch Auswertung des Frequenzspektrums lässt sich eine mögliche Beeinträchtigung des Pumpenbetriebs, insbesondere des Pumpenlaufrades erkennen, da bestimmte Beeinträchtigungen, wie bspw. ein sich ankündigender Lagerschaden oder eine Laufradverstopfung bzw. Laufradverschmutzung durch Ablagerungen von Feststoffen am Laufrad, zu Unwuchten führen können, die oszillierende Harmonische des Motorstroms oder eine Verstärkung dieser Harmonischen hervorrufen können, was mittels Spektralanalyse, auch Spektralanalyse genannt, zuverlässig erkennbar ist.If there is no impeller blockage or if one is not detected, the method instead carries out an evaluation of the frequency spectrum of the motor current, in particular at least one phase of the stator current. By evaluating the frequency spectrum, a possible impairment of the pump operation, in particular of the pump impeller, can be identified, since certain impairments, such as impending bearing damage or impeller blockage or impeller contamination due to deposits of solids on the impeller, can lead to imbalances, the oscillating harmonics of the Motor current or an amplification of these harmonics, which can be reliably identified using spectral analysis, also known as spectral analysis.

Wird durch die Spektralanalyse des Motorstroms, insbesondere wenigstens einer Phase des Statorstroalms, eine Beeinträchtigung der Pumpe festgestellt, so wird der Motor durch Abfahren einer definierten Drehzahlrampe bis zu einer Motordrehzahl von 0 heruntergeregelt und deaktiviert. Es erfolgt also keine abrupte Abschaltung des Antriebs und ein sofortiges Abbremsen des Pumpenlaufrades, sondern stattdessen wird eine sanfte Drehzahlreduzierung bis zum vollständigen Stillstand der Pumpe vorgenommen.If an impairment of the pump is detected through the spectral analysis of the motor current, in particular at least one phase of the stator current, the motor is reduced to a motor speed of 0 and deactivated by running down a defined speed ramp. This means that the drive is not switched off abruptly and an immediate braking of the pump impeller, but instead a gentle speed reduction is carried out until the pump comes to a complete standstill.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt auf der integralen Mikroprozessoreinheit der Pumpe ausgeführt, insbesondere zur regulären Laufzeit der Pumpe. Die Ausführung auf einer externen Recheneinheit ist jedoch genauso vorstellbar und soll von der Erfindung mitumfasst sein. Bei der Pumpe handelt es sich vorzugsweise um eine Kreiselpumpe, insbesondere eine Pumpe zur Förderung von Feststoffe enthaltenden Medien.The method according to the invention is preferably carried out on the integral microprocessor unit of the pump, in particular during the regular running time of the pump. However, execution on an external computing unit is also conceivable and should be included in the invention. The pump is preferably a centrifugal pump, in particular a pump for conveying media containing solids.

Die Detektion eines stabilen Betriebszustandes kann beispielsweise durch Beobachtung wenigstens eines charakteristischen Betriebsparameters der Pumpe bzw. des Antriebsmotors erfolgen. Als besonders vorteilhaft erweist sich die Überwachung einer elektrischen Größe des Antriebsmotors, insbesondere des aufgenommenen Motorstroms. Bleibt der beobachtete, charakteristische Parameter über einen definierbaren Zeitraum konstant bzw. annähernd konstant bzw. unterliegt lediglich tolerierbaren Schwankungen, so wird von einem stabilen Betriebszustand der Pumpe ausgegangen und das Verfahren beginnt mit der Erkennung von Pumpenbeeinträchtigungen mittels Spektralanalyse.The detection of a stable operating state can take place, for example, by observing at least one characteristic operating parameter of the pump or the drive motor. Monitoring an electrical variable of the drive motor, in particular the motor current drawn, proves to be particularly advantageous. If the observed, characteristic parameter remains constant or approximately constant over a definable period of time or is only subject to tolerable fluctuations, the pump is assumed to be in a stable operating state and the process begins with the detection of pump impairments using spectral analysis.

Vorstellbar ist es beispielsweise, dass im Fall einer erkannten Laufradblockade und/oder einer Pumpenbeeinträchtigung, insbesondere Laufradverunreinigung ein Reinigungsprogramm initiiert wird, während diesem der Antriebsmotor, insbesondere das Pumpenlaufrad definiert angesteuert wird. Idealerweise werden definierbare Drehzahländerungen und Umkehrungen der Drehrichtung zyklisch ausgeführt, um Laufradblockaden oder Laufradverunreinigungen zu lösen. Idealerweise lassen sich abhängig vom erkannten Fehlerfall individuelle Reinigungsprogramme ausführen. Vorstellbar ist beispielsweise die Ausführung einer ersten Reinigungsprozedur, wenn eine Laufradblockade erkannt wird, und die Ausführung einer zweiten Reinigungsprozedur, wenn hingegen eine Pumpen- oder Laufradbeeinträchtigung festgestellt wird. Insbesondere werden die Reinigungsprozeduren gezielt auf den jeweiligen Fehlerfall abgestimmt, um ein optimales Reinigungsergebnis zur erzielen.It is conceivable, for example, that in the event of a detected impeller blockage and/or a pump impairment, in particular impeller contamination, a cleaning program is initiated, during which the drive motor, in particular the pump impeller, is controlled in a defined manner. Ideally, definable speed changes and reversals of rotation direction are carried out cyclically to resolve impeller blockages or impeller contamination. Ideally, individual cleaning programs can be carried out depending on the error detected. It is conceivable, for example, to carry out a first cleaning procedure if an impeller blockage is detected, and to carry out a second cleaning procedure if, on the other hand, a pump or impeller impairment is detected. In particular, the cleaning procedures are specifically tailored to the respective error case in order to achieve an optimal cleaning result.

Die Erkennung einer Laufradblockade kann beispielsweise durch die Überwachung wenigstens eines charakteristischen Betriebsparameters des Pumpenantriebs erfolgen, insbesondere des aufgenommenen Motorstroms. Eine Blockade wird beispielsweise dann angenommen, wenn die beobachtete charakteristische Größe einen entsprechenden Grenzwert überschreitet bzw. außerhalb eines definierbaren Intervalls liegt. Idealerweise wird von einer Laufradblockade dann ausgegangen, wenn der aufgenommene Motorstrom um einen bestimmten Wert größer ist als der Nennstrom des Antriebsaggregates, insbesondere um ein Vielfaches des Nennstromes größer ist, bspw. über dem doppelten des Nennstroms liegt.An impeller blockage can be detected, for example, by monitoring at least one characteristic operating parameter of the pump drive, in particular the motor current drawn. A blockage is assumed, for example, if the observed characteristic size exceeds a corresponding limit or lies outside a definable interval. Ideally, an impeller blockage is assumed when the motor current drawn is greater than the rated current of the drive unit by a certain value, in particular is greater by a multiple of the rated current, for example is more than twice the rated current.

Für die Spektralanalyse kann es ausreichend sein, die Spektralamplitude bei wenigstens einer definierbaren, charakteristischen Frequenz zu bestimmen und zu überwachen. Die Spektralamplitude wird nachfolgend auch als Oberschwingungsamplitude bezeichnet. Bspw. ist vorstellbar, dass gewisse Pumpenbeeinträchtigungen zu Harmonischen mit bestimmten Frequenzen führen, die nachfolgend als Fehlerfrequenzen bezeichnet werden.For spectral analysis, it may be sufficient to determine and monitor the spectral amplitude at at least one definable, characteristic frequency. The spectral amplitude is also referred to below as the harmonic amplitude. For example, it is conceivable that certain pump impairments lead to harmonics with certain frequencies, which are referred to below as error frequencies.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die wenigstens eine definierbare Fehlerfrequenz in Abhängigkeit der Statorfrequenz des Antriebsmotors und/oder der Anzahl der Polpaare des Stators und/oder in Abhängigkeit des Motorschlupfes berechnet. Die entsprechende Fehlerfrequenz ist insbesondere charakteristisch für mögliche Verunreinigungen des Pumpenlaufrades.According to an advantageous embodiment of the method, the at least one definable error frequency is calculated as a function of the stator frequency of the drive motor and/or the number of pole pairs of the stator and/or as a function of the motor slip. The corresponding error frequency is particularly characteristic of possible contamination of the pump impeller.

Handelt es sich beim Antriebsmotor um eine Synchronmaschine, entfällt der Schlupf und die Berechnungsformel für die Fehlerfrequenz fr,pump kann wie folgt definiert sein: ƒ r , p u m p = ( 1 ± 1 p ) ƒ S ,

Figure DE102022106063A1_0001
wobei p die Anzahl an Polpaaren des Stators darstellt und fs die Statorfrequenz ist. Bei Asynchronmotoren, insbesondere Induktionsmaschinen, ist zusätzlich der Schlupf s des Antriebsmotors zu berücksichtigen und die Formel lautet bevorzugt wie folgt: ƒ r , p u m p = ( 1 ± 1 p ( 1 s ) ) ƒ S
Figure DE102022106063A1_0002
If the drive motor is a synchronous machine, there is no slip and the calculation formula for the error frequency f r,pump can be defined as follows: ƒ r , p u m p = ( 1 ± 1 p ) ƒ S ,
Figure DE102022106063A1_0001
where p represents the number of pole pairs of the stator and f s is the stator frequency. For asynchronous motors, especially induction machines, the slip s of the drive motor must also be taken into account and the formula is preferably as follows: ƒ r , p u m p = ( 1 ± 1 p ( 1 s ) ) ƒ S
Figure DE102022106063A1_0002

Für die Spektralanalyse kann der über einen Zeitraum gemessene Motorstrom/Statorstrom per Fast Fourier Transformation (FFT) oder Diskreter Fourier Transformation (DFT) in sein Frequenzspektrum transformiert werden, um daraus die Spektralamplitude bei wenigstens einer Fehlerfrequenz zu erhalten. Die Spektralanalyse wird vorzugsweise für wenigstens eine Phase des Motorstromes im eingeschwungenen Zustand ausgeführt.For the spectral analysis, the motor current/stator current measured over a period of time can be transformed into its frequency spectrum using Fast Fourier Transformation (FFT) or Discrete Fourier Transformation (DFT) in order to obtain the spectral amplitude at at least one error frequency. The spectral analysis is preferably carried out for at least one phase of the motor current in the steady state.

Da die Durchführung einer FFT oder DFT sehr ressourcenhungrig ist, kann die Spektralamplitude des Motorstroms für wenigstens eine Fehlerfrequenz alternativ auch per Koordinatentransformation ermittelt werden. Hierfür wird die Transformation des mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen Motorstroms in ein zweiachsiges d-q-Stromkoordinatensystem vorgeschlagen. Das resultierende Stromkoordinatensystem rotiert mit der Fehlerfrequenz der fehlerindizierenden Oberschwingung bzw. der entsprechenden Winkelgeschwindigkeit. Der sich dadurch ergebende Stromvektor im d-q-Koordinatensystem setzt sich demzufolge aus einem rotierenden Stromvektor sowie einem stationären Stromvektor zusammen. Letzterer entspricht dem auf die Oberschwingung entfallenden Anteil des Motorstroms, der in der gewählten Darstellung zeitlich konstant ist und somit einen Gleichanteil der Ströme id und iq bildet. In der Koordinatendarstellung kann durch die Berechnung der geometrischen Summe dieser Gleichanteile die Amplitude der fehlerindizierenden Oberschwingung ermittelt werden. Die vorgeschlagene Vorgehensweise benötigt deutlich weniger Operationen und Ressourcen als bspw. die Ausführung einer FFT oder DFT und lässt sich dadurch aufgrund der vergleichsweise geringen Ressourcenanforderungen problemlos auf einer internen Mikroprozessoreinheit einer Pumpe implementieren. So lässt sich die Lösung vollständig softwarebasiert auf einer bestehenden Mikroprozessoreinheit zur Regelung einer Kreiselpumpe implementieren. Ohnehin bestehende Sensoren für die Strommessung der Motorströme können verwendet werden, eine zusätzliche Hardwareerweiterung ist nicht erforderlich.Since carrying out an FFT or DFT is very resource-intensive, the spectral amplitude of the motor current for at least one error frequency can alternatively also be determined using coordinate transformation. For this purpose, the transformation of the multi-phase, especially three-phase motor is used current into a two-axis dq current coordinate system. The resulting current coordinate system rotates with the error frequency of the error-indicating harmonic or the corresponding angular velocity. The resulting current vector in the dq coordinate system is therefore composed of a rotating current vector and a stationary current vector. The latter corresponds to the proportion of the motor current attributable to the harmonic, which is constant over time in the selected representation and thus forms a constant proportion of the currents i d and i q . In the coordinate representation, the amplitude of the error-indicating harmonic can be determined by calculating the geometric sum of these direct components. The proposed approach requires significantly fewer operations and resources than, for example, executing an FFT or DFT and can therefore be easily implemented on an internal microprocessor unit of a pump due to the comparatively low resource requirements. The solution can be implemented completely software-based on an existing microprocessor unit for controlling a centrifugal pump. Existing sensors for measuring motor currents can be used; additional hardware expansion is not required.

Wie bereits vorstehend erläutert wurde, stellen die Gleichanteile der Ströme id und iq, die mittels Transformation bestimmt werden, die notwendige Information für die Ermittlung der Oberschwingungsamplitude zur Verfügung. Eine einfache Vorgehensweise zur Bestimmung dieser Gleichstromanteile ist die Anwendung eines Tiefpassfilters, wodurch der zeitvariable Wechselanteil der entsprechenden Ströme id, iq herausgefiltert wird. Idealerweise wird ein Tiefpassfilter erster Ordnung verwendet. Besonders bevorzugt kommt ein Butterworth-Filter erster Ordnung zur Anwendung dessen Transferfunktion gemäß H ( z ) = 1 e ω c T z e ω c T

Figure DE102022106063A1_0003
definiert sein kann, wobei T vorzugsweise der Abtastrate der Prozessoreinheit entspricht. Die Grenzfrequenz ωc muss relativ klein gewählt werden, um die Schwingung so weit wie möglich zu entfernen.As already explained above, the direct components of the currents i d and i q , which are determined by means of transformation, provide the necessary information for determining the harmonic amplitude. A simple procedure for determining these direct current components is to use a low-pass filter, whereby the time-varying alternating component of the corresponding currents i d , i q is filtered out. Ideally a first order low pass filter is used. A first-order Butterworth filter is particularly preferably used in accordance with its transfer function H ( e.g ) = 1 e ω c T e.g e ω c T
Figure DE102022106063A1_0003
can be defined, where T preferably corresponds to the sampling rate of the processor unit. The cutoff frequency ω c must be chosen to be relatively small in order to remove the oscillation as much as possible.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird zur Transformation der Motorströme in das d-q-Stromkoordinatensystem die Parktransformation angewendet, insbesondere gemäß der Formel l _ d q = l ^ α β e i ( ω F t ) ,

Figure DE102022106063A1_0004
wobei l _ α β
Figure DE102022106063A1_0005
eine Raumzeigerdarstellung des dreiphasigen Motorstroms in einem Statorkoordinatensystem und ωF die der fehlerindizierenden Schwingungsfrequenz entsprechende Winkelgeschwindigkeit gemäß ωF = 2πfr,pump ist. Erforderliche trigonometrische Funktionen für die Anwendung der Park-Transformation können innerhalb der Mikroprozessoreinheit durch Look-Up-Tabellen mit einer definierten Anzahl an Wertepaaren realisiert sein, um den Speicherbedarf der Mikroprozessoreinheit zu minimieren. Denkbar ist die Verwendung von 300 bis 400 Wertepaaren, insbesondere 360 Wertepaaren.According to an advantageous embodiment of the invention, the parking transformation is used to transform the motor currents into the dq current coordinate system, in particular according to the formula l _ d q = l ^ α β e i ( ω F t ) ,
Figure DE102022106063A1_0004
where l _ α β
Figure DE102022106063A1_0005
is a space vector representation of the three-phase motor current in a stator coordinate system and ω F is the angular velocity corresponding to the error-indicating oscillation frequency according to ω F = 2πf r,pump . Required trigonometric functions for the application of the Park transformation can be implemented within the microprocessor unit by look-up tables with a defined number of value pairs in order to minimize the memory requirements of the microprocessor unit. It is conceivable to use 300 to 400 value pairs, in particular 360 value pairs.

Die vorgenannte Parktransformation wird oftmals auch bei einer feldorientierten (FOC) Drehzahlregelung eines Elektromotors angewendet, wobei dort die Ermittlung des iq-Stromkoordinatensystems nicht in Abhängigkeit einer spezifischen Frequenz einer Oberschwingung erfolgt, sondern stattdessen in Abhängigkeit der aktuellen Rotordrehzahl, sodass sich ein im Hinblick auf den Rotor stationäres Koordinatensystem ergibt. Ist dies der Fall, kann das erfindungsgemäße Verfahren bereits auf einen bestehenden Regelbaustein für die Implementierung einer FOC zur Ausführung der Parktransformation zurückgreifen.The aforementioned parking transformation is often also used in a field-oriented (FOC) speed control of an electric motor, where the determination of the i q current coordinate system does not take place depending on a specific frequency of a harmonic, but instead depending on the current rotor speed, so that in view of the rotor results in a stationary coordinate system. If this is the case, the method according to the invention can already rely on an existing control module for the implementation of a FOC to carry out the parking transformation.

Da die Parktransformation eine Raumzeigerdarstellung des dreiphasigen Motorstroms voraussetzt, muss der dreiphasige Motorstrom zunächst in eine zweidimensionale Raumzeigerdarstellung überführt werden. Dies kann per Transformation in ein Stator-Koordinatensystem mittels Clarke-Transformation geschehen. Auch hier kann theoretisch ein bereits bestehender Regelungsbaustein einer FOC wiederverwendet werden oder es wird stattdessen nur die Information über die Raumzeigerdarstellung aus dem Regelungsbaustein abgegriffen.Since the parking transformation requires a space vector representation of the three-phase motor current, the three-phase motor current must first be converted into a two-dimensional space vector representation. This can be done by transforming into a stator coordinate system using the Clarke transformation. Here, too, an existing control module of a FOC can theoretically be reused or instead only the information about the space vector representation is taken from the control module.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Verfahren insbesondere für eine Abwasserpumpe ausgeführt, da gerade bei der Förderung von Feststoffe enthaltenden Fluiden Laufradverschmutzungen und damit einhergehende Beeinträchtigungen der Pumpe häufig vorkommen. Die oftmals autark betriebenen Abwasserpumpen werden durch das erfindungsgemäße Verfahren in die Lage versetzt, eine unerwünschte Beeinträchtigung ihres Pumpenwirkungsgrades frühzeitig zu erkennen und geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um entsprechende Laufradbeeinträchtigungen selbsttätig zu beheben. Auch die Erkennung und Unterscheidung einer vollständigen Laufradblockade von einer Laufradverschmutzung ist möglich.According to an advantageous embodiment, the method is carried out in particular for a wastewater pump, since impeller contamination and associated impairments to the pump often occur, especially when pumping fluids containing solids. The method according to the invention enables the wastewater pumps, which are often operated independently, to detect any undesirable impairment of their pump efficiency at an early stage and to take suitable measures to automatically eliminate corresponding impeller impairments. It is also possible to detect and differentiate a complete impeller blockage from impeller contamination.

Die vorliegende Erfindung betrifft nicht nur ein Verfahren, sondern ebenfalls eine Pumpe, bevorzug eine Kreiselpumpe, die insbesondere für den Betrieb als Abwasserpumpe ausgestaltet ist. Die erfindungsgemäße Pumpe weist eine Pumpensteuerung auf, die konfiguriert ist, das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auszuführen. Dementsprechend ergeben sich für die Pumpe dieselben Vorteile und Eigenschaften, wie sie bereits vorstehend anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgezeigt wurden. Auf eine wiederholende Beschreibung wird aus diesem Grund verzichtet.The present invention relates not only to a method, but also to a pump train a centrifugal pump, which is designed in particular for operation as a wastewater pump. The pump according to the invention has a pump controller which is configured to carry out the method according to the present invention. Accordingly, the pump has the same advantages and properties as have already been demonstrated above using the method according to the invention. For this reason, a repeated description is omitted.

Ebenso betrifft die Erfindung eine Pumpensteuerung zur Verwendung in bzw. mit einer Pumpe, insbesondere einer Kreiselpumpe, besonders bevorzugt mit einer Abwasserpumpe, wobei die Steuerung konfiguriert ist, das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auszuführen. Eine solche Pumpensteuerung kann beispielsweise integraler Bestandteil einer Pumpe sein, jedoch auch als externes Modul ausgeführt sein, das lediglich kommunikativ mit einem entsprechenden Pumpenaggregat in Verbindung steht, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Denkbar ist es auch, dass eine solche Pumpensteuerung mit mehr als einem Pumpenaggregat in Verbindung steht und eine Überwachung, insbesondere parallele Überwachung, mehrerer Pumpenaggregate möglich ist.The invention also relates to a pump control for use in or with a pump, in particular a centrifugal pump, particularly preferably with a wastewater pump, the control being configured to carry out the method according to the present invention. Such a pump control can, for example, be an integral part of a pump, but can also be designed as an external module that is only communicatively connected to a corresponding pump unit in order to carry out the method according to the invention. It is also conceivable that such a pump control is connected to more than one pump unit and monitoring, in particular parallel monitoring, of several pump units is possible.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen nachstehend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Es zeigen:

  • 1: ein Ablaufdiagramm einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 2: eine Diagrammdarstellung des Spektrums einer Phase des aufgenommenen Motorstroms,
  • 3: ein zweites Ablaufdiagramm zur Verdeutlichung einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 4: eine Gegenüberstellung des stationären Stator-Koordinatensystems sowie des rotierenden d-q-Koordinatensystems,
  • 5: eine Darstellung des mit der Fehlerfrequenz rotierenden d-q-Koordinatensystems für die Fehleranalyse und
  • 6: eine Blockdarstellung zur Verdeutlichung der einzelnen Verfahrensschritte zur Fehlerüberwachung
Further advantages and properties of the invention will be explained below using the exemplary embodiments shown in the figures. Show it:
  • 1 : a flowchart of a first embodiment of the method according to the invention,
  • 2 : a diagram representation of the spectrum of a phase of the motor current drawn,
  • 3 : a second flow chart to illustrate a second embodiment of the method according to the invention,
  • 4 : a comparison of the stationary stator coordinate system and the rotating dq coordinate system,
  • 5 : a representation of the dq coordinate system rotating with the error frequency for error analysis and
  • 6 : a block diagram to illustrate the individual process steps for error monitoring

1 zeigt das Ablaufdiagramm einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Überwachung des Betriebs einer Abwasserpumpe. Die Pumpe weist wenigstens ein Laufrad auf, dass durch einen mehrphasig gespeisten Elektromotor angetrieben wird. 1 shows the flowchart of a first embodiment of the method according to the invention for monitoring the operation of a wastewater pump. The pump has at least one impeller that is driven by a multi-phase electric motor.

Bei der Inbetriebnahme der Pumpe wird die Pumpe zunächst gemäß einer definierten Drehzahlrampe auf die gewünschte Betriebsdrehzahl hochgefahren (Block 100). Nach Erreichen der Betriebsdrehzahl geht die Pumpe in den regulären Pumpenbetrieb über (Block 200). Im regulären Pumpenbetrieb wird geprüft, ob sich die Pumpe in einem stabilen Betriebszustand befindet (Block 300). Hierfür wird der vom Motor aufgenommenen Motorstrom erfasst. Bleibt der Motorstrom während eines gewissen Zeitraums konstant oder nahezu konstant, wird das Vorliegen eines stabilen Betriebspunktes angenommen und das Verfahren geht über zum Schritt 400.When the pump is started up, the pump is first ramped up to the desired operating speed according to a defined speed ramp (block 100). After reaching the operating speed, the pump switches to regular pump operation (block 200). During regular pump operation, a check is made to see whether the pump is in a stable operating state (block 300). For this purpose, the motor current drawn by the motor is recorded. If the motor current remains constant or almost constant for a certain period of time, the existence of a stable operating point is assumed and the method goes to step 400.

Im Block 400 wird der aufgenommene Motorstrom wenigstens einer Phase des Antriebsmotors gegen einen Grenzwert verglichen, der hier dem zweifachen des Motornennstroms 2*INenn entspricht. Übersteigt der aufgenommene Motorstrom diesen Grenzwert, wird auf eine vorliegende Blockade des Pumpenlaufrades geschlossen und die Pumpensteuerung initiiert einen sofortigen Pumpenstopp. Hierfür wird der Motor sofort stromlos geschaltet und ein Freilauf des Pumpenlaufrades erzwungen (Block 500), wodurch die Gefahr einer Beschädigung des Laufrades durch die erkannte Blockade verringert wird. Das Verfahren geht dann zum Block 600 über, um einen speziell auf eine Laufradblockade abgestimmten Reinigungsprozess der Pumpe zu starten. Der Reinigungsprozess kann eine Abfolge von Drehrichtungswechseln des Laufrades beinhalten, um ein Lösen der Blockade zu erzwingen. War der Reinigungsprozess erfolgreich, so kehrt das Verfahren zum Ausgangspunkt für die Inbetriebnahme der Pumpe (Block 100) zurück.In block 400, the recorded motor current of at least one phase of the drive motor is compared against a limit value, which here corresponds to twice the rated motor current 2*I nominal . If the motor current drawn exceeds this limit value, it is concluded that the pump impeller is blocked and the pump control initiates an immediate pump stop. For this purpose, the motor is immediately switched off and the pump impeller is forced to freewheel (block 500), which reduces the risk of damage to the impeller due to the detected blockage. The method then moves to block 600 to start a pump cleaning process specifically tailored to an impeller blockage. The cleaning process may include a sequence of changes in the direction of rotation of the impeller to force the blockage to clear. If the cleaning process was successful, the process returns to the starting point for starting up the pump (block 100).

Bleibt der erfasste Motorstrom im Block 400 hingegen unter dem Grenzwert 2*INenn, d.h. es liegt keine Laufradblockade vor, so wird stattdessen eine Spektralanalyse des Motorstroms wenigstens einer Phase ausgeführt (Block 700). Dies erfolgt bspw. durch eine hochfrequente und hoch abgetastete Strommessung und sekündliche Auswertung des Frequenzbandes des Stromsignals. Darauf basierend erfolgt eine Berechnung und Überwachung der Spektralamplitude iF bei der Fehlerfrequenz fr,pump. In der Ausführung der 1 erfolgt die Berechnung der Spektralamplitude mittels Transformation des zeitlichen Verlaufs des erfassten Motorstroms in sein Frequenzspektrum, entweder per Diskreter Fourier Transformation (DFT) oder per Fast Fourier Transformation (FFT).However, if the detected motor current in block 400 remains below the limit value 2*I nominal , ie there is no impeller blockage, a spectral analysis of the motor current of at least one phase is carried out instead (block 700). This is done, for example, by high-frequency and highly sampled current measurement and second-by-second evaluation of the frequency band of the current signal. Based on this, the spectral amplitude iF is calculated and monitored at the error frequency f r,pump . In the execution of the 1 The spectral amplitude is calculated by transforming the time course of the detected motor current into its frequency spectrum, either using Discrete Fourier Transformation (DFT) or Fast Fourier Transformation (FFT).

In 2 ist beispielsweise das Frequenzspektrum einer Phase des aufgenommenen Statorstroms dargestellt und zwar für den Fehlerfreienfall „free“ und für den Fall einer Laufradverschmutzung „clogged“. Die beiden markierten Kreise 80 kennzeichnen die Amplituden der Seitenbänder des Stromspektrums, die charakteristisch sind für bestimmte Beeinträchtigungen der Pumpenfunktion und demzufolge als Fehler- oder Schadfrequenzen bezeichnet werden. Oszillierende Harmonische des Motorstroms mit diesen Frequenzen sind als Indiz für das Vorliegen einer Beeinträchtigung zu werten, bspw. eine Unwucht bzw. ein Ausrichtungsfehler der Mechanik im Hydraulik- als auch Antriebsteil der Pumpe. Erzeugt kann besagte Unwucht und Ausrichtungsfehler durch ein verstopftes Laufrad, einen Lagerfehler oder auch einen Trockenlauf der Pumpe sein. Klar erkennbar ist in diesem Fall, dass die Spektralamplituden bei den identifizierten Schadfrequenzen 80 deutlich zunehmen, wenn das Laufrad der Pumpe erhebliche Anhaftungen aufweist.In 2 For example, the frequency spectrum of one phase of the recorded stator current is shown, namely “free” for the error-free case and “clogged” for the case of impeller contamination. The two marked circles 80 indicate the amplitudes of the sidebands of the Current spectrum that is characteristic of certain impairments in the pump function and is therefore referred to as error or damage frequencies. Oscillating harmonics of the motor current with these frequencies should be seen as an indication of the existence of an impairment, for example an imbalance or an alignment error of the mechanics in the hydraulic and drive part of the pump. This imbalance and alignment error can be caused by a clogged impeller, a bearing error or the pump running dry. In this case, it can be clearly seen that the spectral amplitudes at the identified damaging frequencies 80 increase significantly if the impeller of the pump has significant buildup.

Die erwähnte, relevante Fehlerfrequenz fr,pump lässt sich unter Rückgriff auf ein Fehlermodell berechnen, das die Fehlerfrequenz gemäß der Formel (1) in Abhängigkeit der Statorfrequenz (Rotordrehzahl n), des Motorschlupfes s und der Anzahl p an Polpaaren des Antriebsmotors berechnet: ƒ r , p u m p = ( 1 ± 1 p ( 1 s ) ) ƒ s .

Figure DE102022106063A1_0006
The relevant error frequency f r,pump mentioned can be calculated using an error model that calculates the error frequency according to formula (1) as a function of the stator frequency (rotor speed n), the motor slip s and the number p of pole pairs of the drive motor: ƒ r , p u m p = ( 1 ± 1 p ( 1 s ) ) ƒ s .
Figure DE102022106063A1_0006

Der Schlupf s ist klarerweise nur bei Verwendung einer Asynchronmaschine als Antriebsmotor zu verwenden. Wird stattdessen eine Synchronmaschine als Antriebsmotor eingesetzt, kann in obiger Formel ein Schlupf s = 0 eingesetzt werden.Clearly, the slip s can only be used when using an asynchronous machine as the drive motor. If a synchronous machine is used as the drive motor instead, a slip s = 0 can be used in the above formula.

Die für die wenigstens eine charakteristische Fehlerfrequenz fr,pump bestimmte Spektralamplitude iF wird im Block 800 gegen eine Grenzwert iF,Lim verglichen. Wird der Grenzwert überschritten, so schließt das Verfahren auf eine Beeinträchtigung des Pumpenlaufrades, insbesondere eine wirkungsgradbeeinträchtigende Laufradverschmutzung, und initiiert als Reaktion ein Abschalten des Antriebsaggregates. Als zweite Voraussetzung wird hier jedoch verlangt, dass eine Grenzwertüberschreitung mindestens für 3 Sekunden vorliegt (Block 900).The spectral amplitude iF determined for the at least one characteristic error frequency f r,pump is compared in block 800 against a limit value iF,Lim. If the limit value is exceeded, the method concludes that the pump impeller is impaired, in particular impeller contamination that impairs efficiency, and in response initiates a shutdown of the drive unit. However, the second requirement here is that the limit value has been exceeded for at least 3 seconds (block 900).

Anders als im Fall einer Laufradblockade wird bei Detektion einer Laufradverschmutzung jedoch keine sofortige Abschaltung des Antriebsmotors ausgelöst, sondern die Pumpe stattdessen durch Abfahren einer Drehzahlrampe bis zur Drehzahl 0 gemäßigt abgebremst (Block 1000), bis das Laufrad zum Stillstand kommt. Erst im Anschluss wird eine zweite Reinigungsprozedur (Block 1100) ausgeführt, die von der ersten Reinigungsprozedur 600 abweicht.In contrast to the case of an impeller blockage, when impeller contamination is detected, the drive motor is not immediately switched off, but instead the pump is braked moderately by running down a speed ramp to speed 0 (block 1000) until the impeller comes to a standstill. Only then is a second cleaning procedure (block 1100) carried out, which deviates from the first cleaning procedure 600.

Die 3-6 zeigen eine modifizierte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Blockdiagramme der 2 und 3 stimmen bis auf die Blöcke 700, 800, 700`, 800`, d.h. die Spektralanalyse des Motorstroms, überein, so dass in beiden Figuren identische Bezugszeichen für identische Verfahrensschritte verwendet werden und nachfolgend nur auf den Unterschied in den Blöcken 700`, 800` eingegangen wird. Die 4, 5 zeigen eine Diagrammdarstellung zur Verdeutlichung der Vorgehensweise. 6 zeigt ein Blockdiagramm, dass den Ablauf im Block 700` nochmals im Detail beschreibt.The 3-6 show a modified embodiment of the method according to the invention. The block diagrams of the 2 and 3 agree except for blocks 700, 800, 700', 800', ie the spectral analysis of the motor current, so that identical reference numbers are used in both figures for identical process steps and only the difference in blocks 700', 800' will be discussed below becomes. The 4 , 5 show a diagram to illustrate the procedure. 6 shows a block diagram that describes the process in block 700 in more detail.

Für die Fehlerüberwachung bei den spezifischen Frequenzen des Stromspektrums wird anstelle einer Durchführung mittels FFT oder DFT im Hinblick auf die Minimierung des Speicheraufwands und der Anzahl der Operationen auf das Prinzip der Multiple Reference Frame-Theorie zurückgegriffen. Die Idee ist, ähnlich wie bei der Feldorientierten Regelung (FOC), ein Koordinatensystem rotieren zu lassen. Während bei der FOC das Koordinatensystem in der Frequenz des Rotors rotiert, rotiert es im Sinne der Fehlererkennung mit der Frequenz eines Fehlers. Wie bereits vorstehend erläutert wurde, wird wenigstens eine Fehlerfrequenz mittels der unter (1) angegebenen Formel bestimmt. Dies ist im Diagramm der 6 durch das Bezugszeichen 10 gekennzeichnet.For error monitoring at the specific frequencies of the current spectrum, the principle of multiple reference frame theory is used instead of using FFT or DFT in order to minimize the memory effort and the number of operations. The idea is, similar to field-oriented control (FOC), to rotate a coordinate system. While in FOC the coordinate system rotates at the frequency of the rotor, in the sense of error detection it rotates at the frequency of an error. As already explained above, at least one error frequency is determined using the formula given under (1). This is in the diagram 6 identified by the reference number 10.

Bei einem Drehstrommotor können die Motorströme in einem Raumvektor zusammengefasst werden. Dazu wird angenommen, dass die Summe der Phasenströme Null ist. Der Realteil des Raumvektors wird mit α-Strom und der Imaginärteil mit β-Strom bezeichnet. Das α-β-Koordinatensystem (siehe 4) wird als statorfestes Koordinatensystem (Stator-Koordinatensystem) bezeichnet. Die Transformation von den dreiphasigen Statorströmen in den zweiphasigen α-β-Strom wird als Clarke-Transformation bezeichnet.In a three-phase motor, the motor currents can be combined in a spatial vector. It is assumed that the sum of the phase currents is zero. The real part of the space vector is called α-current and the imaginary part is called β-current. The α-β coordinate system (see 4 ) is called the stator-fixed coordinate system (stator coordinate system). The transformation from the three-phase stator currents to the two-phase α-β current is called the Clarke transformation.

Um einen Wechselstrommotor anzutreiben, wird von der Steuerung der statorfeste α-β-Strom in den rotorfesten d-q-Strom transformiert, was als Park-Transformation bezeichnet wird. Mathematisch gesehen wird ein Koordinatensystem dazu gebracht, sich entsprechend der Drehzahl n des Rotors zu drehen. Als Ergebnis ist der d-q-Strom ein Gleichstromwert, der für die Motorsteuerung verwendet werden kann. Der interessante Aspekt ist, dass die Vektorsumme aus d- und q-Strom genau der Amplitude der Grundschwingung des Motorstroms entspricht. Dieses Prinzip macht sich die modifizierte Ausführung des Verfahrens für die Fehlererkennung zu Nutze.In order to drive an AC motor, the stator-fixed α-β current is transformed by the controller into the rotor-fixed d-q current, which is referred to as the park transformation. Mathematically speaking, a coordinate system is made to rotate according to the speed n of the rotor. As a result, the d-q current is a DC value that can be used for motor control. The interesting aspect is that the vector sum of d and q current corresponds exactly to the amplitude of the fundamental wave of the motor current. The modified version of the method makes use of this principle for error detection.

Betrachtet man einen realen Motor, so ist der Phasenstrom und damit der StromRaumvektor mit Schwingungen überlagert, deren Umfang im fehlerhaften Betrieb der Pumpe bzw. des Antriebsmotors zunehmen. Für das erfindungsgemäße Verfahren wird nun angenommen, dass der Motorstrom die Summe aus dem drehmomentbildenden Strom mit der Amplitude îT und der Drehzahl ωS und einer Oberschwingung mit der Amplitude îF und der Drehzahl ωF ist. Die Motorströme der drei Phasen lassen sich nach den folgenden Gleichungen (2) berechnen:   i a ( t ) = l ^ T cos ( ω S t ) + l ^ F cos ( ω F t + θ )   i b ( t ) = l ^ T cos ( ω S t 2 π 3 ) + l ^ F cos ( ω F t + θ 2 π 3 ) i c ( t ) = l ^ T cos ( ω S t 4 π 3 ) + l ^ F cos ( ω F t + θ 4 π 3 )

Figure DE102022106063A1_0007
If you look at a real motor, the phase current and thus the current space vector is superimposed with oscillations, the extent of which increases if the pump or drive motor is operating incorrectly. For the method according to the invention it is now assumed that the motor current The sum of the torque-forming current with the amplitude î T and the speed ω S and a harmonic with the amplitude î F and the speed ω F is. The motor currents of the three phases can be calculated using the following equations (2): i a ( t ) = l ^ T cos ( ω S t ) + l ^ F cos ( ω F t + θ ) i b ( t ) = l ^ T cos ( ω S t 2 π 3 ) + l ^ F cos ( ω F t + θ 2 π 3 ) i c ( t ) = l ^ T cos ( ω S t 4 π 3 ) + l ^ F cos ( ω F t + θ 4 π 3 )
Figure DE102022106063A1_0007

In diesem Fall enthält îF Informationen über den Zustand der Pumpe und über die Fehlerschwere. Als Beispiel kann ωF auf Basis von Gleichung (1) berechnet werden. In this case, î F contains information about the status of the pump and the severity of the error. As an example, ω F can be calculated based on equation (1).

Wie in 4 dargestellt, ist der Stromraumvektor l _ α β

Figure DE102022106063A1_0008
im Stator-Koordinatensystem gleich der Summe aus der drehmomentbildenden Komponente l _ T | α β ,
Figure DE102022106063A1_0009
die mit der Drehzahl ωS rotiert, und der Fehlerkomponente l _ F | α β ,
Figure DE102022106063A1_0010
die mit der Drehzahl ωF rotiert. Die Berechnung des Stromraumvektors l _ α β
Figure DE102022106063A1_0011
des dreiphasigen Motorstroms erfolgt gemäß der nachfolgenden Gleichung (3): l _ α β = l ^ T e i ( ω S t ) + l ^ F e i ( ω F t + θ )
Figure DE102022106063A1_0012
As in 4 shown is the current space vector l _ α β
Figure DE102022106063A1_0008
in the stator coordinate system equal to the sum of the torque-generating component l _ T | α β ,
Figure DE102022106063A1_0009
which rotates with the speed ω S , and the error component l _ F | α β ,
Figure DE102022106063A1_0010
which rotates at speed ω F. The calculation of the current space vector l _ α β
Figure DE102022106063A1_0011
of the three-phase motor current occurs according to the following equation (3): l _ α β = l ^ T e i ( ω S t ) + l ^ F e i ( ω F t + θ )
Figure DE102022106063A1_0012

Im gezeigten Blockdiagramm der 6 wird dieser Schritt bereits durch die vorhandene feldorientierte Regelung 20 der Pumpensteuerung ausgeführt, die als Ausgangsgrößen die beiden Ströme ia und iβ liefert.In the block diagram shown the 6 This step is already carried out by the existing field-oriented control 20 of the pump control, which supplies the two currents i a and i β as output variables.

Im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Länge von l _ F | α β

Figure DE102022106063A1_0013
von Interesse. Nun wird das d-q-Koordinatensystem mit der Geschwindigkeit der Oberschwingungsfrequenz (ωK = ωF) gedreht. Zur Berechnung des Stromvektors in d-q-Koordinaten wird die Standardgleichung für die Park-Transformation verwendet, was im Blockdiagramm durch den Schritt 30 gekennzeichnet ist. Die Park-Transformation lässt sich mathematisch gemäß folgender Gleichung umsetzen: l _ d q = l _ α β e i ( ω F t )
Figure DE102022106063A1_0014
In the sense of the method according to the invention, the length is: l _ F | α β
Figure DE102022106063A1_0013
of interest. Now the dq coordinate system is rotated at the speed of the harmonic frequency (ω K = ω F ). To calculate the current vector in dq coordinates, the standard Park transform equation is used, which is indicated by step 30 in the block diagram. The Park transformation can be implemented mathematically according to the following equation: l _ d q = l _ α β e i ( ω F t )
Figure DE102022106063A1_0014

Wenn die Formel (3) in die Formel (4) eingesetzt wird, ergibt sich Formel (5) für den aktuellen Vektor l _ d g

Figure DE102022106063A1_0015
im d-q-Koordinatensystem: l _ d q = l ^ F e i θ + l ^ T e i [ ( ω S ω F ) t ]
Figure DE102022106063A1_0016
Substituting formula (3) into formula (4) results in formula (5) for the current vector l _ d G
Figure DE102022106063A1_0015
in the dq coordinate system: l _ d q = l ^ F e i θ + l ^ T e i [ ( ω S ω F ) t ]
Figure DE102022106063A1_0016

Der Drehstromvektor l _ d q

Figure DE102022106063A1_0017
ist gleich der Summe der Vektoren l _ T | d q ,
Figure DE102022106063A1_0018
die mit der Geschwindigkeit (ωS - ωF) rotieren, und dem stationären Vektor l _ F | d q ,
Figure DE102022106063A1_0019
siehe 5. enn ωF größer als ωs ist, drehen sich sowohl l _ d q
Figure DE102022106063A1_0020
als auch l _ T | d q
Figure DE102022106063A1_0021
in die andere Richtung.The three-phase vector l _ d q
Figure DE102022106063A1_0017
is equal to the sum of the vectors l _ T | d q ,
Figure DE102022106063A1_0018
which rotate with the speed (ω S - ω F ), and the stationary vector l _ F | d q ,
Figure DE102022106063A1_0019
please refer 5 . If ω F is greater than ω s , both rotate l _ d q
Figure DE102022106063A1_0020
as well as l _ T | d q
Figure DE102022106063A1_0021
in the other direction.

Betrachtet man zeitabhängige Größen, bestehen id und iq aus einer DC-Komponente und einer AC-Komponente, wie in den Gleichungen (6) und (7) zu sehen ist. i d = i F | d + i T | d cos ( ( ω S ω F ) t )

Figure DE102022106063A1_0022
i q = i F | q + i T | q sin ( ( ω S ω F ) t )
Figure DE102022106063A1_0023
Considering time-dependent quantities, i d and i q consist of a DC component and an AC component, as can be seen in equations (6) and (7). i d = i F | d + i T | d cos ( ( ω S ω F ) t )
Figure DE102022106063A1_0022
i q = i F | q + i T | q sin ( ( ω S ω F ) t )
Figure DE102022106063A1_0023

Die Anfangsamplitude îf kann aus der geometrischen Summe von iFld und iFlq berechnet werden, siehe nachfolgende Gleichung (8). l ^ ƒ = i F | d 2 + i F | q 2

Figure DE102022106063A1_0024
The initial amplitude î f can be calculated from the geometric sum of i Fld and i Flq , see equation (8) below. l ^ ƒ = i F | d 2 + i F | q 2
Figure DE102022106063A1_0024

Im Blockschaltbild der 6 ist dieser Verfahrensschritt mit dem Bezugszeichen 50 gekennzeichnet. Wenn die Gleichstromanteile von id und iq ermittelt werden, kann die Amplitude îf daraus berechnet werden. So kann durch Anwendung einfacher Transformationen die Amplitude einer Harmonischen berechnet werden. Eine einfache und speicherfreundliche Methode zur Berechnung der Gleichstromkomponenten von id und iq ist ein Filter erster Ordnung, der im Blockschaltbild der 6 mit dem Bezugszeichen 40 gekennzeichnet ist.In the block diagram of the 6 This process step is marked with the reference number 50. If the direct current components of i d and i q are determined, the amplitude î f can be calculated from this. The amplitude of a harmonic can be calculated by using simple transformations. A simple and memory friendly method to calculate the DC components of i d and i q is a first order filter shown in the block diagram of the 6 is marked with the reference number 40.

Beispielsweise kann ein Butterworth-Filter erster Ordnung gewählt werden, dessen Übertragungsfunktion wie folgt gemäß Gleichung (9) bestimmt werden kann H ( z ) = 1 e ω c T z e ω c T ,

Figure DE102022106063A1_0025
wobei T gleich der Abtastzeit der Mikroprozessoreinheit ist. Das Filter erlaubt eine einfache Implementierung. Allerdings muss die Grenzfrequenz ωc relativ klein gewählt werden, um die Schwingung so weit wie möglich zu entfernen. Dadurch wird die Zeitkonstante des Filters relativ hoch, was das System langsam macht und in dynamischen Systemen ein Problem darstellen kann. Beim Einsatz in einer Pumpe ist dies jedoch unkritisch, da keine schnellen Lastwechsel zu erwarten sind.For example, a first-order Butterworth filter can be chosen, the transfer function of which can be determined as follows according to equation (9). H ( e.g ) = 1 e ω c T e.g e ω c T ,
Figure DE102022106063A1_0025
where T is equal to the sampling time of the microprocessor unit. The filter allows for easy implementation. However, the cutoff frequency ω c must be chosen to be relatively small in order to remove the oscillation as much as possible. This makes the time constant of the filter relatively high, which makes the system slow and can be a problem in dynamic systems. However, this is not critical when used in a pump, as no rapid load changes are to be expected.

Der wie oben beschrieben bestimmte Wert für die Spektralamplitude îf könnte dann im Block 800` alternativ zur der Darstellung in 3 gegen einen Grenzwert iF,Lim verglichen, wobei bei dessen Überschreitung für die Dauer von mindestens 3s (Block 900) ebenfalls ein Anhalten der Pumpe (Block 1000) bewirkt und dann die Reinigungsprozedur (Block 1100) ausgelöst wird.The value for the spectral amplitude î f determined as described above could then be in block 800` as an alternative to the representation in 3 compared against a limit value iF,Lim, whereby if it is exceeded for a period of at least 3s (Block 900) also causes the pump to stop (Block 1000) and then the cleaning procedure (Block 1100) is triggered.

Alternativ zu dieser Variante wird jedoch, wie in 3 gezeigt, in Block 700` nicht nur die Spektralamplitude îf , wie vorstehend beschrieben, bestimmt, sondern stattdessen auch der Schadensfaktor SF. Insbesondere bei geregelten Pumpen, bspw. druckgeregelten Pumpen, kann sich die Last und die Drehzahl der Pumpe während des Betriebs ändern, was gleichzeitig auch eine Änderung der Stromaufnahme der Pumpe bedeutet. Um dies zu berücksichtigen, wird der Schadensfaktor („Severity Factor“ SF) für einen Fehler berechnet, der sich auf die Stromaufnahme bezieht. Dargestellt ist dies im Blockschaltbild der 6 mit dem Bezugszeichen 60. Sofern die Motorregelung der Pumpe eine FOC 20 aufweist, steht die Information über die Stromaufnahme zur Verfügung. Um die Lastunabhängigkeit zu gewährleisten, wird der Schadensfaktor SF aus dem Verhältnis des fehlerindizierenden Spektralamplitude îf und der Amplitude îT der drehmomentbildenden Komponente, die gleich dem q-Strom in der verwendeten FOC ist, gebildet, wobei der d-Strom auf Null geregelt wird: S F = l ^ ƒ l ^ T 100 % .

Figure DE102022106063A1_0026
However, as an alternative to this variant, as in 3 shown, in block 700` not only the spectral amplitude î f , as described above, is determined, but also the damage factor SF instead. Particularly with controlled pumps, for example pressure-controlled pumps, the load and speed of the pump can change during operation, which also means a change in the power consumption of the pump. To take this into account, the damage factor (“Severity Factor” SF) is calculated for an error that relates to the current consumption. This is shown in the block diagram 6 with the reference number 60. If the motor control of the pump has a FOC 20, the information about the current consumption is available. In order to ensure load independence, the damage factor SF is formed from the ratio of the error-indicating spectral amplitude î f and the amplitude î T of the torque-forming component, which is equal to the q-current in the FOC used, with the d-current being controlled to zero : S F = l ^ ƒ l ^ T 100 % .
Figure DE102022106063A1_0026

Anhand des Schadensfaktors SF kann dann eine Entscheidung im Block 800` (siehe 3 und 6) durch Abgleich mit einem Grenzwert SF, Lim getroffen werden, ob bei der Pumpe eine Laufradverunreinigung vorliegt oder nicht. Wird eine solche erkannt, und zwar für eine Dauer von mehr als 3 Sekunden, so wird die Pumpe auf eine Drehzahl von Null heruntergefahren (Block 1000) und anschliessend die Reinigungsprozedur 2 gestartet (Block 1100).Based on the damage factor SF, a decision can then be made in block 800 (see 3 and 6 ) by comparing it with a limit value SF, Lim, it can be determined whether the pump has impeller contamination or not. If this is detected, for a period of more than 3 seconds, the pump is reduced to a speed of zero (block 1000) and then cleaning procedure 2 is started (block 1100).

Claims (15)

Verfahren zur Überwachung des Betriebs einer Pumpe, vorzugsweise einer Kreiselpumpe (1), mit einem mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen Antriebsmotor, mit den Verfahrensschritten: - Feststellen, ob die Pumpe in einem stabilen Betriebszustand arbeitet, - Bei Vorliegen eines stabilen Betriebszustands, Überwachung wenigstens einer charakteristischen Größe des Antriebsmotors, um festzustellen, ob eine Laufradblockade vorliegt, - bei Erkennung einer Laufradblockade aktivieren eines Freilaufs des Pumpenlaufrades, - andernfalls Auswertung des Frequenzspektrums des Motorstroms zur Erkennung einer Beeinträchtigung der Pumpe und Abschalten des Motors durch Abfahren einer abnehmenden Drehzahlrampe, falls eine Beeinträchtigung der Pumpe erkannt wird. Method for monitoring the operation of a pump, preferably a centrifugal pump (1), with a multi-phase, in particular three-phase drive motor, with the method steps: - Determine whether the pump is operating in a stable operating state, - If there is a stable operating state, monitoring at least one characteristic variable of the drive motor to determine whether there is an impeller blockage, - if an impeller blockage is detected, activate a freewheel of the pump impeller, - Otherwise, evaluation of the frequency spectrum of the motor current to detect impairment of the pump and switching off the motor by running down a decreasing speed ramp if impairment of the pump is detected. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei einer Beeinträchtigung der Pumpe um eine Beeinträchtigung des Pumpenlaufrades handelt, insbesondere um eine Laufradverschmutzung.Procedure according to Claim 1 , characterized in that an impairment of the pump is an impairment of the pump impeller, in particular impeller contamination. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennen einer Laufradblockade und/oder Erkennung einer Laufradverstopfung ein Reinigungsprogramm initiiert wird.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that a cleaning program is initiated when an impeller blockage and/or an impeller blockage is detected. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erkennung einer Laufradblockade ein erstes Reinigungsprogramm ausgeführt wird und nach Erkennung einer Laufradverstopfung ein zweites Reinigungsprogramm ausgeführt wird.Procedure according to Claim 3 , characterized in that after an impeller blockage is detected, a first cleaning program is carried out and after an impeller blockage is detected, a second cleaning program is carried out. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laufradblockade durch Überwachung des aufgenommenen Motorstroms erfolgt, wobei eine Blockade dann erkannt wird, wenn der Motorstrom einen definierbaren Grenzwert überschreitet, insbesondere den Nennstrom um einen bestimmten Wert überschreitet, bevorzugt über einem Vielfachen des Nennstromes liegt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that an impeller blockage occurs by monitoring the recorded motor current, a blockage being detected when the motor current exceeds a definable limit value, in particular exceeds the rated current by a certain value, preferably over a multiple of the rated current lies. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung des Frequenzspektrums die Überwachung einer Spektralamplitude des Motorstroms bei wenigstens einer definierbaren Fehlerfrequenz umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation of the frequency spectrum includes monitoring a spectral amplitude of the motor current at at least one definable error frequency. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Fehlerfrequenz in Abhängigkeit der Polpaare des Stators und/oder der Statorfrequenz und/oder eines möglichen Motorschlupfes bestimmt wird, insbesondere gemäß ƒ r , p u m p = ( 1 ± 1 p ( 1 s ) ) ƒ s
Figure DE102022106063A1_0027
für einen Induktionsmotor und für einen Synchronmotor ƒ r , p u m p = ( 1 ± 1 p ) ƒ s ,
Figure DE102022106063A1_0028
wobei p die Anzahl an Polpaaren des Stators, s der Motorschlupf und fs die Statorfrequenz sind.
Procedure according to Claim 6 , characterized in that the at least one error frequency is determined depending on the pole pairs of the stator and / or the stator frequency and / or a possible motor slip, in particular according to ƒ r , p u m p = ( 1 ± 1 p ( 1 s ) ) ƒ s
Figure DE102022106063A1_0027
for an induction motor and for a synchronous motor ƒ r , p u m p = ( 1 ± 1 p ) ƒ s ,
Figure DE102022106063A1_0028
where p is the number of pole pairs of the stator, s is the motor slip and f s is the stator frequency.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Spektralamplitude per Fast Fourier Transformation oder per Diskreter Fourier Transformation erfolgt.Procedure according to Claim 6 or 7 , characterized in that the spectral amplitude is determined using Fast Fourier Transformation or Discrete Fourier Transformation. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektralamplitude îf des Motorstroms für die wenigstens eine bestimmte Fehlerfrequenz fr,pump durch Transformation des dreiphasigen Motorstroms in ein mit der Fehlerfrequenz fr,pump rotierendes d-/q-Stromkoordinatensystem mit den Strömen id und iq berechnet wird, wobei die geometrische Summe der Gleichanteile der Ströme id und iq im d-/q-Stromkoordinatensystem der Spektralamplitude îf entspricht.Method according to one of the above Claims 6 or 7 , characterized in that the spectral amplitude î f of the motor current for the at least one specific error frequency f r,pump by transforming the three-phase motor current into one with the error frequency f r,pump rotating d/q current coordinate system with the currents i d and i q is calculated, whereby the geometric sum of the direct components of the currents i d and i q in the d/q current coordinate system corresponds to the spectral amplitude î f . Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichanteile der transformierten Ströme id und iq durch Anwendung eines Tiefpassfilters, bevorzugt eines Tiefpassfilters erster Ordnung, besonders bevorzugt eines Butterworth-Filters erster Ordnung, ermittelt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the direct components of the transformed currents i d and i q are determined by using a low-pass filter, preferably a first-order low-pass filter, particularly preferably a first-order Butterworth filter. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformation in das d-q-Stromkoordinatensystem mittels Park-Transformation erfolgt, insbesondere gemäß l _ d q = l _ α β e i ( ω F t ) ,
Figure DE102022106063A1_0029
wobei l _ d q
Figure DE102022106063A1_0030
eine Raumzeigerdarstellung des dreiphasigen Motorstroms in einem Stator-Koordinatensystem ist und die Winkelgeschwindigkeit ωF aus der Fehlerfrequenz fr,pump gemäß ωF = 2πfr,pump berechnet wird.
Procedure according to Claim 9 or 10 , characterized in that the transformation into the dq current coordinate system takes place by means of Park transformation, in particular according to l _ d q = l _ α β e i ( ω F t ) ,
Figure DE102022106063A1_0029
where l _ d q
Figure DE102022106063A1_0030
is a space vector representation of the three-phase motor current in a stator coordinate system and the angular velocity ω F is calculated from the error frequency f r,pump according to ω F = 2πf r,pump .
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformation des dreiphasigen Motorstroms in die Raumzeigerdarstellung im Stator-Koordinatensystem durch eine Clark-Transformation erfolgt, wobei der Raumzeiger l _ α β
Figure DE102022106063A1_0031
vorzugsweise durch einen bestehenden Regelungsbaustein der Pumpenregelung bestimmt wird, der eine feldorientierte Drehzahlregelung (20) ausführt.
Procedure according to Claim 11 , characterized in that the transformation of the three-phase motor current into the space vector representation in the stator coordinate system is carried out by a Clark transformation, whereby the space vector l _ α β
Figure DE102022106063A1_0031
is preferably determined by an existing control module of the pump control, which carries out a field-oriented speed control (20).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Pumpe um eine Abwasserpumpe handelt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the pump is a wastewater pump. Pumpe, bevorzugt Kreiselpumpe, insbesondere für den Betrieb als Abwasserpumpe, mit einer Pumpensteuerung die konfiguriert ist, das Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche auszuführen.Pump, preferably centrifugal pump, in particular for operation as a wastewater pump, with a pump control which is configured to carry out the method according to one of the preceding claims. Pumpensteuerung für eine Pumpe, insbesondere eine Kreiselpumpe, konfiguriert zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 13.Pump control for a pump, in particular a centrifugal pump, configured to carry out the method according to one of the above Claims 1 until 13 .
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